汽轮机TSI系统详解

汽轮机安全监视系统（TSI）是一种集保护和检测功能于一身的永久监视系统，是大型旋转机械必不可少的保护系统。

TSI可以对机组在起动、运行过程中的一些重要参数能可靠地进行监视和储存，它不仅能指示机组运行状态、记录输出信号、实现数值越限报警、出现危险信号时使机组自动停机，同时还能为故障诊断提供数据，因而广泛地应用于3MW～600MW的各种汽轮发电机组上。

汽机应监视和保护的项目随蒸汽参数的升高而增多，且随机组不一而各有差异，一般有以下一些参数:

（1）轴向位移监视：连续监视推力盘到推力轴承的相对位置，以保证转子与静止部件间不发生摩擦，避免灾难性事故的发生。当轴向位移过大时，发出报警或停机信号。

（2）差胀监视：连续检测转子相对于汽缸上某基准点（通常为推力轴承）的膨胀量，一般采用电涡流探头进行测量，也可用线性差动位移变送器（LVDT）进行测量。

（3）缸胀监视：连续监测汽缸相对于基础上某一基准点（通常为滑销系统的绝对死点）的膨胀量。由于膨胀范围大，目前一般都采用LVDT进行缸胀监视。

（4）零转速监视：连续监测转子的零转速状态。当转速低于某规定值时，报警继电器动作，以便投入盘车装置。

（5）转速监视：连续监测转子的转速。当转速高于设定值时给出报警信号或停机信号。

（6）振动监视：监视主轴相对于轴承座的相对振动和轴承座的绝对振动。

（7）偏心度监视：连续监视偏心度的峰-峰值和瞬时值。转速为1～600r/min时，主轴每转一圈测量一次偏心度峰-峰值，此值与键相脉冲同步。当转速低于1r/min时，机组不再盘车而停机，这时瞬时偏心度仪表的读数应最小，这就是最佳转子停车位置。

（8）相位监视：采用相位计连续测量选定的输入振动信号的相位。输入信号取自键相信号和相对振动信号，经转换后供显示或记录。

（9）阀位指示：连续指示调速汽门的动作位置。

下表列出了一些应监视与保护的项目。

     汽轮机组安全监视与保护项目一览表

目前在中国市场上，有许多国内外厂家的TSI产品在机组上投入运行。其中，200MW以上机组的TSI系统几乎完全被国外产品垄断，这些系统的引进始于20世纪80年代，使用较多的产品有美国本特利（BN）公司的7200系列、3300系列、3500系列；德国菲利浦公司（后改为EPRO）的RMS700、EPRO MMS6000系列；日本新川公司的VM-3、VM-5系列等。

国产设备仅在一些小容量机组上应用，主要有两种类型：一种是仿本特利早期产品7200或飞利浦RMS700的模拟分立式或组合式单元仪表，另一类是数采器加通用计算机的后台式监测认断系统，该类系统多由科研院所开发，一般并接在进口TSI系统的信号缓冲输出上，作为进口TSI系统的补充部分，仅具有数据采集、波形显示、计算分析等后台功能，不具有TSI必需的标准输出和监视保护功能。

1. 本特利3500系统

本特利3500系统是目前我国大型机组上应用较为广泛，也是本特利公司最先进的TSI系统。本特利3500系列仪表在使用过程中以其实验室级别的精度，组态调整的灵活性, 模件、前置放大器、探头的可替换性，安装后对细微偏差的可调整功能给调试、使用提供了很多方便。该系统具有以下主要技术特点：

（1）单元模块化结构，安装于标准框架中，主要包括：电源模块、接口模块、键相模块、监测模块、通讯模块等。

（2）各功能模块都有一颗单片微控制器（MCU），用于实现各模块的智能化功能，如组态设置、自诊断、信号测试、报警保护输出、数据通信等。

（3）各模块间通过RS232/RS422/RS485总线和MODBUS协议进行数据通信，最高通信速率115.2kbps。

（4）可通过上位机的组态软件对各个模块进行组态设置，并下载到各个模块的非易失性存储器中。

（5）双重冗余供电电源模块。

（6）支持带电拔插功能。

本特利3500系统与本特利3300系统不同，它没有面板显示，其测量显示通过上位机显示或直接触发继电器模块输出，大部分内部设置都在软件中完成。本特利3500系统具有多种通信方式。调试过程中，可以用本特利公司提供的RS232通信接口直接与DCS系统连接，在DCS操作员站进行组态配置和参数显示。另外还有相对振动、轴位移、胀差等参数通过4~20mA信号送到DEH系统进行显示。

3500监视系统软件主要有3个软件包：

（1） 框架配置软件。主要包括框架配置、机架接口模件与主机端口测试实用程序、通信网关测试实用程序、框架配置教程、框架配置帮助等。

（2） 数据采集DDE (动态数据交换) 服务器软件。主要包括数据采集DDE (动态数据交换) 服务器、软件配置实用程序、编辑元件实用程序、RIM (框架接口模件) 主机接口测试实用程序、数据采集显示教程。

（3）操作员显示软件。主要包括监视器通道值的条形显示、机器链图和对应的数据值、趋势图、系统事件列表、现用的报警信号列表、报警信号列表。

2. EPRO MMS6000系统

MMS6000系统是EPRO公司最先进的数字化智能型TSI，该系统具有以下主要技术特点：

（1）单元模块化结构，安装于19“标准框架中，主要包括：轴振模块、轴承振动模块、轴位移/差胀模块、偏心模块、缸胀模块、通信接口模块等。

（2）各监测模块均为双通道，内置一颗单片微控制器（MCU），实现模块自检、数据采集、数据通信、监测报警等功能。

（3）通过RS232/RS485总线对模块进行软件组态设置和读取模块采集数据。

（4）系统中RS485总线最多连接31个模块/62个通道，数据通信速率最高为115.2kbps。

（5）支持带电拔插功能。

（6）双重冗余电源模块。

3. 日本新川VM-5系统

VM-5系统TSI系统是日本新川公司的智能型数字式TSI系统，它具有以下主要技术特点：

（1）单元模块式结构，主要包括：轴振模块、瓦振模块、加速度模块、偏心模块、轴向位移模块、差胀模块、缸胀模块、转速模块、通讯/键相模块、继电器模块、电源模块等。

（2）模块内置单片微处理器，具有自诊断功能（电源检查、传感器故障等）。

（3）面板上LCD显示功能，可显示测量值、报警值、间隙电压等。

（4）通过内部跳线和RS232/RS485接口设置模块工作方式和参数。

（5）通讯/键相模块可通过RS232/RS485接口与上位机通信，其他模块无通信接口；数据通信速率最高为19.2kbps。

（6）双重冗余电源模块。

4. 国内的TSI产品

我国涡流式保护仪表的研制开发起步较晚，从1976年起，上海发电设备成套设计研究所、航天部608所、清华大学等一批科研院所、大学开始从事这方面的研究工作，从技术上逐步形成了2个系列，即以上海发电设备成套设计研究所为代表的调幅式涡流传感器和以清华大学为代表的调频式涡流传感器，这2个系列各具优缺点：调幅式传感器特点是线性特性好、线性范围大，但稳定性略差；而调频式传感器的特点恰恰相反。

从1984年开始，上海发电设备成套设计研究所对涡流式位移传感器进行了大量研究工作，把调幅式传感器的线性范围大和调频式传感器稳定性好的特点结合起来，提出了采用调频调幅式的检测方式，比较圆满地综合了调频式和调幅式2种类型检测的优点，使得国产的涡流传感器上了一个新台阶，并已陆续投入工业运行，用户普遍反映良好。以涡流式传感器为主要检测元件所组成的RD 系列单件仪表已有400多套在全国投运。

由于制造工艺上的差距，外国公司的TSI产品在安全性、可靠性、先进性、通用性等方面感觉上优于国内的TSI产品，但也存在不足，如TSI采集的数据模式均不对外开放，无法被国内的各种诊断分析软件利用，TSI只起了基本的监视保护作用，浪费了系统资源；模块种类较多，导致备件品种繁多，成本高且供应周期较长；各功能模块与上位机之间的数据通信采用的较为落后的RS485总线，数据传输速率较低，除本特利3500外，其余TSI的各模块之间难以组成网络化的监视保护系统。国内厂家生产的TSI产品在价格上则有较大优势，如国外产品价格一般按每通道约合人民币20000～50000元，而国内产品约在5000～10000元之间。因此应根据具体情况合理地选用TSI产品。

1. 振动参数

它包括下述五个方面：

（1）振幅

可用来表示位移、速度或加速度，是一种强弱程度的标志。使用趋近式探头测量以获取振动振幅的精确数据。虽然机壳测量被尝试用于“高频”振动，需要着重指出的是机器功能失灵的绝大多数都发生在低频区（通常小于四倍的转速）。单项的高频测量仅占机器评估时间的一个小百分点。

（2）频率

振动的频率通常被表示为机器转速的倍数形式。这主要取决于机器转速在几倍频或几倍频情况下机器振动频率的趋向。机器振动频率可简单表示为1x、2x、3x、4x等等。

（3）相角

利用一个键相位移传感器，获取轴的相位参数信号。相位角为脉冲前沿到振动的第一个正向峰值之间的角度。当转子通过振动输入传感器时，其振动的第一个正向峰值是与转子的最高点相吻合的。通过确定这些至高点的位置，就能够确定转子平衡条件和不平衡偏差的位置。同时，相角对确定转子平衡谐振转数位置也很有价值。

（4）振动形式

是分析振动数据的关键。振动形式是指其自身的固有振动形式，可在示波器上显示出来。并可分别采用直角坐标图示或极坐标图示，以便帮助运行人员了解转子的运动情况与状态。此外，基本参数如振幅、频率和相位角都可从振动形式图象中确定。

（5）振动模式

监测机组的任何一对XY探头可提供转子在某特定位置的运动情况。再利用另一对探头监测机组不同位置，就能确定转子固有模型，以便帮助我们更准确地估算转子与静止部件间的轴向间隙，并估算出转轴的节点位置。

机壳监测和轴或转子的测量方法类似，同样可利用振幅、频率、相角，振动形式和模式等参数描绘。除了了解转子运转情况，掌握机壳状态对分析整个系统也是同等重要的。诸如结构件、管件的谐振，基础的松散或断裂及外振源位置都可利用机器非旋转件的测量确定。在对机器机械性能的综合分析里，机壳的监测是不可忽视的。

2. 位置测量

它包括下述五个方面：

（1）偏心位置

用于测量轴颈轴承处轴的稳态位置。该种测量是对轴承磨损和因预应力严重出现不对中的最佳指示标志。

（2）轴向位移

测量的是推力环到推力轴承的相对位置。测量的目的是为了保证转子与静止部件间不发生摩擦，以避免灾难性事故发生。

（3）低转速偏心

它指的是转子工作间歇时的弯曲量。此弯曲量可通过转子低转速转动时，前置器上直流峰值的缓慢变化显示。如果峰值在一个可接受的低水平范围变动，机器就可启动，不必担心密封损伤或因存在弯曲量而引起的摩擦或不平衡。

（4）胀差

指转子与机壳之间，由于热膨胀量不一致所引起的膨胀之差值。它的存在将使机组发生轴向摩擦、导致恶性事故。因此，为了保证胀差在—定范围之内，在机组末端与止推轴承间相对安装了一趋近式探头，用以监测转子与机壳的轴向间隙。

（5）机壳膨胀

机壳的膨胀测量是对于机组，提供基础与机壳相对胀差的数据。掌握了机壳的膨胀量和胀差就能够断定转子和机壳哪一个膨胀率高。如果机壳膨胀不当，“滑脚”可能被阻塞。

3. 其它参数

（1）速度

转子的速度的测量，长久以来已成为一项必须进行的标准程序。振动测量值与转速的相关性对最终分析机组性能十分重要。

（2）温度

现已愈来愈重视轴向和径向轴承的温度变化。工作过程的温度数据可提供不少有意义的信息，振动或位置测量值与温度信息的相关程度有助于我们对可能发生的机器失灵做出更明确的判断指示。

（3）相关

影响机器运转的温度、压力、流量和其它参数的相关程度对分析整个系统极为重要。利用相关性，可建立完善的预保养程序。

4. 早期轴断裂监测

大量的经验性试验和现场情况记录表明，在轴断裂的监测方面，最好的标志是观察转子一倍频或二倍频时振动向量的变化。可接受区域是指矢量所能允许的变化范围，具体描述可用最大、最小振幅边界和最大、最小相角边界。

—倍频和二倍频振动矢量的相关程度及低速旋转弯曲矢量，对于确定引起矢量变化的起因是很必要的。原因有可能是不对称轴裂造成，也不能排除由于负载、电源、蒸汽条件或其它运行参数的变动，引起了矢量变化。

1、TSI的基本组成

无论是国产的TSI，还是进口的TSI；无论是由分立元件构成的TSI，还是由集成电路组成的TSI，或者是由微处理器芯片构成的TSI系统，从结构与组成的角度分析，它们均可以下三部分描绘：

传感器系统将机械量（如转速，轴位移，差胀，缸胀，振动和偏心等）转换成电参数（频率f，电感L，品质因素Q，阻抗Z等），传感器输出的电参数信号经过现场连线送到监测系统，由监测系统转换为测量参数进行显示、记录及相关的信息处理。

2、TSI的工作原理

目前应用广泛的传感器有：电涡流传感器，电感式速度传感器，电感式线性差动变压器和磁阻式测速传感器等等。对于应用得最多的电涡流传感器系统来说，它由探头、接长电缆和前置器组成。前置器具有一个电子线路，它可以产生一个低功率无线电频率信号（RF），这一RF信号，由延伸电缆送到探头端部里面的线圈上，在探头端部的周围都有这一RF信号。如果在这一信号的范围之内，没有导体材料，则释放到这一范围内的能量都会回到探头。如果有导体材料的表面接近于探头顶部，则RF信号在导体表面会形成小的电涡流。这一电涡流使得这一RF信号有能量损失。该损失大小是可以测量的。导体表面距离探头顶部越近，其能量损失越大。传感器系统可以利用这一能量损失产生一个输出电压，该电压正比于所测间隙。

前置器由高频振荡器、检波器、滤波器、直流放大器、线性网络及输出放大器等组成，检波器将高频信号解调成直流电压信号，此信号经低通滤波器将高频的残余波除去，再经直流放大器，线性补偿电路和输出放大处理后，在输出端得到与被测物体和传感器之间的实际距离成比例的电压信号。前置器（信号转换器）的额定输出电压为 -4~-20V（线性区）。

监测系统又称为框架，一个框架由三部分组成：电源、系统监测器和监测表。电源为装在框架内的监测表及相应的传感器提供规定的电源，电源总被放在框架的第一位置；系统检测器检验供电水平以确保系统正常运行，同时，它还具有控制系统“OK”的功能。“OK”（正常工作）表明系统的传感器及现场接线是在规定的水平上进行。系统检测器也控制报警点的设置和系统复位。系统检测器总被放在框架的第二位置；监测表不仅可以显示传感器系统是否正常运行，还可以指示传感器的测量值，并在越限时报警。